HXD2B电力机车主变流器工作原理浅析

中车永济电机有限公司 李文斌 任永军

一、主变流器的综述

HXD2B型电力机车是以法国阿尔斯通公司PRIMA6000机车技术平台为基础，由阿尔斯通与中国企业联合设计并进行技术转让的新型大功率交流传六轴轴货运机车，牵引变流器的消化吸收及国产化工作由永济电机公司来完成。永济电机公司承担HXD2B型电力机车主变流器的国产化供货任务

HXD2B电力机车单轴输出功率1600kW，机车总功率9600kW。每台HXD2B型电力机车设有三台主变流柜，每台主变流柜装有独立的两台变流器，每台变流器由IGBT模块组成的四象限变流器和逆变器组成，对机车牵引、再生制动实行连续控制。

二、主变流柜的构造及基本参数

1、主变流柜的构造

主变流器箱体为立体式结构，按功能单元区分进行模块化结构设计，分为轴1单元、轴2单元和散热冷却单元，每个轴单元的四象限整流器与逆变器为整体集成，结构紧凑。主变流器功率容量大，功率模块采用复合母排结构和高压IGBT元件，高压斩波与逆变集成为一个模块，主变流器包含两个功能和结构完全一致的轴单元，每个轴单元由两个四象限整流模块和一个逆变模块组成，各为一台牵引电机提供交流电源，四象限整流器中间有二次滤波回路。主变流器功率模块采用水冷技术对IGBT元件进行散热。水冷系统采用模块化、简统化设计，整个系统由两个完全相同独立的冷却单元组成，分别为两套轴单元变流功率模块进行散热冷却，两个冷却单元只有风机是公用的。

三、主变流器的工作原理

1、主变流柜电路原理

牵引变流器输入端与主变压器的次边牵引绕组相连，并通过接触器分与合，通过四象限变流器将单相交流电压AC2100V转变为稳定的中间直流电压DC3775V。中间直流回路设有中间支撑电容，二次滤波电容，接地检测和保护装置等，中间直流回路通过逆变器向牵引电机提供三相变频电压交流电AC2945V，一个逆变器对应一台牵引电机。四象限整流器和逆变器的正常工作由牵引控制单元TCU输出控制脉冲来控制，机车电路原理图如下：

2、功能介绍

（1）预充电电阻

四象限变流器在预充电过程中，由于中间滤波电容的存在，造成变流器在通电初始阶段有比较大的充电电流。为了防止充电电流对系统造成危害，在四象限变流器起始阶段接入充电电阻限制充电电流的幅值。

（2）放电电阻

放电电阻也成为肖锋电阻。当变流器中间电压大于4200V时，通过控制斩波回路的IGBT将多余能量通过该电阻释放，达到平衡中间电压的目的，控制方式为方波信号。

（3）中间支撑电容

中间支撑电容的作用是吸收变流器中间回路的纹波电压，在四象限变流器和电机逆变器之间实现瞬时功率平衡。

（4）二次滤波电容

二次滤波电容的作用是吸收中间回路的二次谐波分量。

（5）冷却系统

冷却系统由风机、热交换器、水泵和膨胀水箱组成。通过热交换器的冷却空气由冷却风机提供，热交换器有两个散热器装配在一起，一个散热器冷却一个轴中功率模块散发的能量。水泵的作用为水冷却液的循环提供动力，TCU通过安装在水泵的压力传感器进行冷却液压力和旋转方向的控制。若膨胀水箱内部的空气压力P大于0.3bar或P小于 -0.1bar时，可以通过双向阀门和周围空气进行交换。

（6）慢性放电电阻

为了在机车上进行维护作业，必须确保电容器的放电。为此，接地规程在干预之前流出一段时间是电容器能够在慢性放电电阻上进行放电。为确保操作人员的安全，放电也通过短路电阻进行。此放电是在机车停车且受控轴断开的情况下进行。

如果放电一段时间电压未降至45V电压以下，机车记录一个故障“DA_DCHES：直流链路未放电”，并对相应的轴进行隔离。

（7）牵引控制单元（TCU）

牵引控制单元应有足够的抗干扰能力，接触网电压和波形变化、机车升降受电弓或合、断主电路均不影响其工作。其具备如下基本功能：

恒力矩、恒速和定速控制功能；

空转、滑行保护、粘着利用控制功能；

轴重转移补偿控制功能；

牵引电机在牵引和制动条件下的最大电流限制控制；

过压、过流、过热保护功能。

3、牵引功率模块的工作原理

HXD2B电力机车牵引功率模块包括四象限功率模块、四象限及斩波功率模块两种。功率模块能够实现交流变直流再到可以变频的交流电，主要还是靠可控元件IGBT来实现的。

（1）牵引电机控制原理

高压电网的单相交流高压电经过变压器将电压降为单相交流电2100V，经过CVE将2100V的交流电整流为直流电3775V，再经过OND-H的一个桥臂和OND将直流电逆变为三相2945V的交流电来为电机供电。如果中间电压过高，OND-H的另一个桥臂的IGBT会接收到TCU的驱动信号来控制IGBT的导通与关断，将多余的能量通过肖锋电阻释放掉，以此来保持中间电压的稳定。

（2）四象限功率模块主电路结构及工作原理

系统由TCU发出控制信号，控制开关器件IGBT的导通与关断，将单相交流2100V整流成DC3600，为后续的逆变电路供电。

模块采用水循环冷却方式，冷却液为50%水和50%乙二醇混合液体，水循环系统与变流器共用。模块以水冷基板为中心向两侧安装部件，水冷基板上安装有进、出水接口以及机械定位销，水接口采用快速水连接器，插拔方便，机械定位销供模块安装到变流器时定位、支撑使用。

（3）四象限斩波功率模块主要结构及工作原理

模块包括一个双管并联的桥臂和一个斩波制动桥臂，并联的桥臂可以作为整流电路的一个桥臂，也可以作为逆变电路的一个桥臂。TCU发出控制信号，控制开关器件IGBT的导通与关断，实现功率变换。

模块采用水循环冷却方式，冷却液为50%水和50%乙二醇混合液体，水循环系统与变流器共用。

[1]2Q224.电力机车主变流器.永济新时速电机电器有限责任公司.

[2]王富珍.IGBT和功率模块原理与应用.永济新时速电机电器有限责任公司,2012年8月18日.

[3]张晋芳.IGBT和功率模块原理与应用.永济新时速电机电器有限责任公司,2012年8月.